Hogyan lássuk az emlékeket

Ahhoz képest, hogy nem Sherlock-szuperfan, Janice Chen kognitív idegtudós a legtöbbeknél jobban ismeri a BBC sikeres detektívdrámáját. Egy agyszkenner segítségével kémleli, mi történik a nézők fejében, amikor megnézik a sorozat első epizódját, majd leírja a cselekményt.

Chen, a marylandi Baltimore-i Johns Hopkins Egyetem kutatója mindenféle variációt hallott egy korai jelenetről, amikor egy nő flörtöl a híresen távolságtartó nyomozóval egy hullaházban. Egyesek szerint Sherlock Holmes goromba, míg mások szerint nem vesz tudomást a nő ideges közeledéséről. Chen és kollégái azonban valami furcsát találtak, amikor a nézők agyát szkennelték: ahogy a különböző emberek újra elmesélték ugyanannak a jelenetnek a saját verzióját, az agyuk feltűnően hasonló aktivitási mintákat produkált1.

Chen azon kutatók közé tartozik, akik egyre több agyi képalkotó eljárást használnak egy adott emlék létrehozásában és felidézésében részt vevő aktivitási minták azonosítására. Az emberi és állati idegtudományokban az elmúlt évtizedben bekövetkezett erőteljes technológiai újítások lehetővé teszik a kutatók számára, hogy alapvető szabályokat tárjanak fel az egyes emlékek kialakulásának, szerveződésének és egymással való kölcsönhatásának módjáról. Az aktív neuronok jelölésére szolgáló technikák segítségével a kutatócsoportok például megtalálták a rágcsálókban egy fájdalmas inger emlékéhez kapcsolódó áramköröket, és sikeresen reaktiválták ezeket a pályákat az emlék kiváltása érdekében. Embereken végzett vizsgálatok során pedig azonosították az egyes emlékek jellegzetességeit, amelyek feltárják, hogy az agy milyen módon szervezi és kapcsolja össze az emlékeket a felidézés elősegítése érdekében. Ezek az eredmények egy napon segíthetnek feltárni, hogy miért romlanak el az emlékek idős korban vagy betegségben, vagy hogyan csúsznak be hamis emlékek a szemtanúk vallomásaiba. Ezek a felismerések a tanulás és a memória javítását célzó stratégiákhoz is vezethetnek.

A munka drámai eltérést jelent a korábbi memóriakutatásoktól, amelyek általánosabb helyszíneket és mechanizmusokat azonosítottak. “A rágcsálók és az emberek eredményei most érnek össze igazán” – mondja Sheena Josselyn idegtudós a torontói Hospital for Sick Children kórházban, Kanadában. “El sem tudom képzelni, hogy mást akarnék vizsgálni.”

Az engram keresése

Az egyetlen emlék fizikai nyoma – amelyet engramnak is neveznek – régóta elkerülte a megragadást. Karl Lashley amerikai pszichológus az elsők között kutatta, és karrierje nagy részét a kutatásnak szentelte. Körülbelül 1916-tól kezdve patkányokat idomított arra, hogy végigfussanak egy egyszerű labirintuson, majd elpusztította az agykéreg, az agy külső felszínének egy darabját. Ezután újra a labirintusba tette őket. Gyakran a sérült agyszövet nem sok változást hozott. A patkányok emlékeinek fizikai helyét évről évre nem tudták meghatározni. Ambiciózus küldetését összefoglalva 1950-ben Lashley ezt írta2: “Az emléknyom lokalizációjára vonatkozó bizonyítékokat áttekintve néha úgy érzem, hogy a szükséges következtetés az, hogy a tanulás egyszerűen nem lehetséges.”

A memória, mint kiderült, erősen elosztott folyamat, nem az agy egyetlen régiójához kötődik. És a memória különböző típusai különböző területek különböző csoportjait vonják be. Számos, a memória kódolásában és előhívásában fontos struktúra, például a hippokampusz, a kéregállományon kívül helyezkedik el – és Lashley nagyrészt kihagyta őket. A legtöbb idegtudós ma már úgy véli, hogy egy adott élmény hatására a sejtek egy részhalmaza ezeken a területeken tüzel, megváltoztatja a génexpressziójukat, új kapcsolatokat alakít ki, és megváltoztatja a meglévők erősségét – ezek a változások együttesen tárolják az emléket. A jelenlegi elméletek szerint a visszaemlékezés akkor következik be, amikor ezek az idegsejtek újra tüzelnek, és újra lejátsszák a múltbeli élményhez kapcsolódó aktivitási mintázatokat.

A tudósok kidolgoztak néhány alapelvet erre az átfogó keretrendszerre. De a magasabb szintű elméletek tesztelése arról, hogy a neuroncsoportok hogyan tárolják és hívják elő a konkrét információdarabokat, még mindig kihívást jelent. Csak az elmúlt évtizedben az állatokban az egyes neuronok jelölésére, aktiválására és elnémítására szolgáló új technikák lehetővé tették a kutatók számára, hogy pontosan meghatározzák, mely neuronok alkotják az egyes memóriákat (lásd: “A memória manipulálása”).

Josselyn az egerekben található engram neuronok rögzítését célzó legkorábbi vizsgálatokkal segített a kutatások ezen hullámának élére állni3. 2009-ben ő és csapata megnövelte a CREB nevű kulcsfontosságú memóriafehérje szintjét az amygdala (a félelem feldolgozásában részt vevő terület) egyes sejtjeiben, és kimutatta, hogy ezek az idegsejtek különösen nagy valószínűséggel tüzelnek, amikor az egerek megtanulják, majd később felidézik a hallható hang és a lábdobogás közötti félelmi asszociációt. A kutatók arra gondoltak, hogy ha ezek a CREB-felerősített sejtek a félelem engram alapvető részét képezik, akkor ezek kiiktatása eltörli a hanggal kapcsolatos emléket, és megszünteti az állatok félelmét a hangtól. A kutatócsoport tehát egy toxinnal elpusztította a megnövekedett CREB-szintű neuronokat, és az állatok végleg elfelejtették a félelmet.

Néhány hónappal később Alcino Silva csoportja a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemen hasonló eredményt ért el, egerekben a CREB-t túltermelő neuronok biokémiai gátlásával elnyomták a félelmi emlékeket4. Eközben azt is felfedezték, hogy a több CREB-vel rendelkező sejtek egy adott pillanatban elektromosan jobban gerjeszthetők, mint szomszédaik, ami megmagyarázhatja a beérkező élmények rögzítésére való készségüket. “Ezzel párhuzamosan laboratóriumaink valami teljesen újat fedeztek fel – azt, hogy vannak specifikus szabályok, amelyek alapján a sejtek az engram részévé válnak” – mondja Silva.

Az ilyen típusú memóriaelnyomó vizsgálatok azonban az engramnak csak a felét vázolják fel. Ahhoz, hogy kétséget kizáróan bebizonyítsák, hogy a tudósok valóban engrammokat vizsgálnak, igény szerint emlékeket is elő kellett állítaniuk. 2012-ben Susumu Tonegawa csoportja a cambridge-i Massachusetts Institute of Technology-nál arról számolt be, hogy létrehoztak egy olyan rendszert, amely éppen erre képes.

Egerek agysejtjeinek genetikai manipulálásával a kutatók a tüzelő neuronokat egy fényérzékeny fehérjével tudták megjelölni. A hippokampuszban lévő neuronokat célozták meg, amely a memória feldolgozásához nélkülözhetetlen régió. A jelzőrendszer bekapcsolásával a tudósok egy sor lábsokkot adtak az állatoknak. Az ütésekre reagáló idegsejtek ontották magukból a fényre érzékeny fehérjét, ami lehetővé tette a kutatók számára, hogy kiválasszák a memóriát alkotó sejteket. Ezután lézerfénnyel tüzet tudtak kiváltani ezekből az idegsejtekből, felelevenítve az egerek számára a kellemetlen emléket5. Egy következő vizsgálatban Tonegawa csapata új ketrecbe helyezte az egereket, és lábsokkokat adott le, miközben újra aktiválta a “biztonságos” ketrec engrammját alkotó neuronokat. Amikor az egerek visszatértek a biztonságos ketrecbe, félelmükben megfagytak, ami azt mutatja, hogy a félelemmel kapcsolatos emlék tévesen a biztonságos helyhez társult6. Más csoportok munkái azt mutatták, hogy hasonló technikával egy adott emléket meg lehet jelölni, majd blokkolni lehet7,8.

Ez a több csoporttól származó munkák gyűjteménye erős érveket támaszt alá, hogy egy emlék fiziológiai nyoma – vagy legalábbis e nyom kulcsfontosságú összetevői – konkrét neuronokhoz köthetők, mondja Silva. Mégis, a hippokampusz vagy az amygdala egy-egy részében lévő neuronok csak egy aprócska részét képezik a félelmi lábsokk engramnak, amely magában foglalja a látványokat, szagokat, hangokat és számtalan más érzést. “Valószínűleg 10-30 különböző agyi régióban van – ez csak egy vad találgatás” – mondja Silva.

A szélesebb ecset

Az agyi képalkotó technológia fejlődése az embereknél lehetővé teszi a kutatók számára, hogy nagyítsák ki és nézzék meg az egész agyra kiterjedő tevékenységet, amely egy engramot alkot. A legszélesebb körben használt technika, a funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (fMRI) nem képes felbontani az egyes neuronokat, hanem a különböző agyterületek aktivitásának foltjait mutatja. Hagyományosan az fMRI-t arra használták, hogy kiválasszák azokat a régiókat, amelyek a legerősebben reagálnak különböző feladatokra. Az utóbbi években azonban nagy teljesítményű elemzésekkel feltárták az egész agyra kiterjedő aktivitás jellegzetes mintáit, vagy szignatúráit, amelyek akkor jelennek meg, amikor az emberek bizonyos élményekre emlékeznek. “Ez az egyik legfontosabb forradalom a kognitív idegtudományban” – mondja Michael Kahana, a philadelphiai Pennsylvaniai Egyetem idegtudósa.

A multi-voxel pattern analysis (MVPA) nevű technika kifejlesztése katalizálta ezt a forradalmat. Az olykor agydekódolásnak is nevezett statisztikai módszer jellemzően fMRI-adatokat táplál egy számítógépes algoritmusba, amely automatikusan megtanulja a konkrét gondolatokhoz vagy élményekhez kapcsolódó neurális mintákat. Sean Polyn – aki jelenleg a Tennessee állambeli Nashville-ben található Vanderbilt Egyetem idegkutatója – 2005-ben végzős hallgatóként részt vett egy úttörő tanulmány vezetésében, amelyben az MVPA-t először az emberi memóriára alkalmazták9. Kísérletében önkéntesek híres emberek, helyszínek és hétköznapi tárgyak képeit tanulmányozták. Az ez idő alatt gyűjtött fMRI-adatok segítségével a kutatók betanítottak egy számítógépes programot arra, hogy azonosítsa az egyes kategóriák tanulmányozásához kapcsolódó aktivitási mintázatokat.

Később, amikor az alanyok a szkennerben feküdtek, és felsorolták az összes olyan tárgyat, amelyre emlékezni tudtak, a kategóriaspecifikus idegi jelek minden egyes válasz előtt néhány másodperccel újra megjelentek. Egy híresség megnevezése előtt például megjelent a “híresség-szerű” aktivitási mintázat, beleértve az agykéreg egy olyan területének aktiválódását, amely az arcokat dolgozza fel. Ez volt az egyik első közvetlen bizonyíték arra, hogy amikor az emberek egy adott emléket hívnak elő, az agyuk újra azt az állapotot veszi fel, amelyben az információ kódolásakor volt. “Ez egy nagyon fontos tanulmány volt” – mondja Chen. “A saját munkámat mindenképpen közvetlen leszármazottjának tekintem.”

Chen és mások azóta továbbfejlesztették technikáikat, hogy egyre pontosabban dekódolják az emlékeket. Chen Sherlock-tanulmányai esetében csoportja azt találta, hogy a nyitó epizód 50 jelenetének agyi aktivitási mintázatai egyértelműen megkülönböztethetők egymástól. Ezek a minták figyelemre méltóan specifikusak voltak, időnként megkülönböztetve azokat a jeleneteket, amelyekben Sherlock szerepelt vagy nem szerepelt, és azokat, amelyek beltéren vagy kültéren játszódtak.

A hippokampusz közelében és több magas szintű feldolgozó központban, például a hátsó medialis kéregben a kutatók ugyanazokat a jelenetnézési mintákat látták kibontakozni, amikor később minden személy elmesélte az epizódot – még akkor is, ha az egyes jeleneteket az emberek másként írták le1. Még olyan embereknél is hasonló agyi aktivitást figyeltek meg, akik soha nem látták a sorozatot, de hallották mások beszámolóit róla10.

“Meglepő volt, hogy ugyanazt az ujjlenyomatot látjuk, amikor különböző emberek ugyanarra a jelenetre emlékeznek, leírják a saját szavaikkal, bármilyen módon emlékeznek rá” – mondja Chen. Az eredmények arra utalnak, hogy az agyak – még a memóriát, a fogalmakat és az összetett megismerést feldolgozó magasabb rendű régiókban is – a vártnál hasonlóbban szerveződhetnek az emberek között.

Az emlékek összeolvadása

Mivel az új technikák bepillantást engednek az engrammokba, a kutatók nemcsak azt kezdhetik el tanulmányozni, hogyan alakulnak ki az egyes emlékek, hanem azt is, hogy az emlékek hogyan hatnak egymásra és hogyan változnak az idők során.

A New York-i Egyetemen Lila Davachi idegtudós az MVPA segítségével azt vizsgálja, hogy az agy hogyan válogatja szét az egymást átfedő tartalmú emlékeket. Egy 2017-es vizsgálatban Alexa Tomparyval, aki akkoriban végzős hallgató volt a laboratóriumában, Davachi 128 tárgy képét mutatta önkénteseknek, amelyek mindegyike négy jelenet egyikével volt párosítva – egy tengerparti jelenet például egy bögrével, majd egy billentyűzettel jelent meg; egy városképet egy esernyővel párosítottak, és így tovább. Minden tárgy csak egy jelenettel jelent meg, de sok különböző tárgy jelent meg ugyanazzal a jelenettel11. Eleinte, amikor az önkéntesek a tárgyakat a hozzájuk tartozó jelenetekhez párosították, minden egyes tárgy más-más agyi aktivációs mintázatot váltott ki. Egy héttel később azonban az idegi mintázatok e felidézési feladat során hasonlóbbá váltak az azonos jelenettel párosított tárgyak esetében. Az agy a közös jelenetinformációk alapján szervezte át az emlékeket. “Ez a csoportosítás az információ “lényegének” megtanulásának kezdetét jelentheti” – mondja Davachi.

A rokon emlékek klaszterezése segíthet az embereknek abban is, hogy a korábbi tudást új dolgok megtanulására használják, az Austin-i Texasi Egyetem idegkutatója, Alison Preston kutatásai szerint. Egy 2012-es tanulmányában Preston csoportja azt találta, hogy amikor egyes emberek egy képpárt (például egy kosárlabdát és egy lovat) látnak, majd később egy másik képpárt (például egy lovat és egy tavat), amely közös elemmel rendelkezik, az agyuk újra aktiválja az első képpárhoz kapcsolódó mintát12. Úgy tűnik, hogy ez a reaktiválás összeköti ezeket a kapcsolódó képpárokat; azok az emberek, akiknél a tanulás során ez a hatás jelentkezett, később jobban felismerték a két, nem együtt megjelenő kép (ebben az esetben a kosárlabda és a tó) közötti – feltételezett, de soha nem látott – kapcsolatot. “Az agy kapcsolatokat hoz létre, olyan információkat és tudást reprezentál, amelyek túlmutatnak a közvetlen megfigyelésünkön” – magyarázza Preston. Ez a folyamat számos mindennapi tevékenységben segíthet, például egy ismeretlen környezetben való tájékozódásban, ha néhány ismert tereptárgy közötti térbeli kapcsolatra következtetünk. Az összefüggő információrészletek összekapcsolása új ötletek kialakításához szintén fontos lehet a kreativitás vagy a jövőbeli forgatókönyvek elképzelése szempontjából.

Egy későbbi tanulmányban Preston elkezdte vizsgálni a memória összekapcsolása mögött álló mechanizmust, és azt találta, hogy az összefüggő emlékek egyetlen reprezentációvá tudnak összeolvadni, különösen, ha az emlékeket egymás után közel egymás után szerezték meg13. Figyelemre méltó konvergenciaként Silva munkája is azt találta, hogy az egerek hajlamosak összekapcsolni két, időben szorosan egymáshoz közel kialakult emléket. Csoportja 2016-ban megfigyelte, hogy amikor az egerek egy ketrecben megtanultak félni a lábdöccenéstől, akkor egy néhány órával korábban meglátogatott ártalmatlan ketreccel szemben is félelmet kezdtek kifejezni14. A kutatók kimutatták, hogy az egyik emléket kódoló neuronok a tanulás után még legalább öt órával is izgatottabbak maradtak, ami egy olyan ablakot teremtett, amelyben egy részben átfedő engram kialakulhatott. Valóban, amikor aktív neuronokat jelöltek meg, Silva csapata azt találta, hogy sok sejt mindkét ketrecemlékben részt vett.

Ezek az eredmények néhány olyan neurobiológiai mechanizmusra utalnak, amelyek az egyéni emlékeket a világról alkotott általánosabb képzetekbe kapcsolják. “A memóriánk nem csak zsebekből és információs szigetekből áll” – mondja Josselyn. “Valójában fogalmakat építünk, és olyan dolgokat kapcsolunk össze, amelyek között közös szálak vannak.” Ennek a rugalmasságnak azonban az lehet az ára, hogy hamis vagy hibás emlékek alakulnak ki: Silva egerei azért kezdtek el félni egy ártalmatlan ketrectől, mert az erről szóló emlékük időben olyan közel alakult ki egy másik ketrecről szóló félelmetes emlékhez. Az egyes tapasztalatok absztrakt fogalmakká és új elképzelésekké való extrapolálása azzal a kockázattal jár, hogy az egyes emlékek bizonyos részletei elvesznek. És ahogy az emberek előhívják az egyes emlékeket, ezek összekapcsolódhatnak vagy összekeveredhetnek. “Az emlékezet nem egy stabil jelenség” – mondja Preston.

A kutatók most azt szeretnék feltárni, hogyan alakulnak az egyes emlékek az idő múlásával, és hogyan alakulnak át, torzulnak el vagy akár jönnek létre újra, amikor előhívják őket. Azzal, hogy a tudósok képesek azonosítani és manipulálni az egyes engram neuronokat az állatokban, remélik, hogy megerősíthetik elméleteiket arról, hogy a sejtek hogyan tárolják és szolgálják fel az információt – elméleteket, amelyeket eddig nehéz volt tesztelni. “Ezek az elméletek régiek és nagyon intuitívak, de nem igazán ismertük a mögöttük álló mechanizmusokat” – mondja Preston. Különösen az adott emlékekhez nélkülözhetetlen egyes neuronok pontos meghatározásával a tudósok részletesebben tanulmányozhatják azokat a sejtszintű folyamatokat, amelyek révén a kulcsfontosságú neuronok információt szereznek, előhívnak és elveszítenek. “Most egyfajta aranykorban vagyunk” – mondja Josselyn. “Mindezzel a technológiával rendelkezünk, hogy feltehessünk néhány nagyon régi kérdést”.